磁电式压电式传感器

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1、第2章有源传感器2.2.1压电效应和压电材料一、物质的压电效应某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的产生，会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷（表面电荷的极性与拉、压有关），当外力去掉形变消失后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为“正压电效应”——机械能转变为电能；反之，在极化方向上（产生电荷的两个表面）施加电场，它又会产生机械形变，这种现象称为“逆压电效应”——电能转变为机械能。具有压电效应的物质（电介质）称为压电材料。FF极化面Q压电介质机械能｛电能｝正压电效应逆压电效应压电效应及可逆性2.2压电式传感器2.

2、1磁电式式传感器二、压电材料的压电常数以下讨论忽略外界附加电场、力场的作用和温度、磁场的影响。1.石英晶体的压电方程及压电常数矩阵石英晶体是一种各向异性的（压电材料）介质，按X0°切型的正六面体，在三维直角坐标系内的力——电作用状态如图所示：X0°切型石英晶体切片的力——电分布xzF3(σ1)F2F1F4F6F5(σ3)(σ2)(1)(3)(2)σij=dijFji=1、2、3j=1、2、3、4、5、6yF1～F3分别为沿x、y、z轴的正应力（或应力分量），F4～F6分别为绕x、y、z轴的切向应力，σ1～σ3分别是x、y、z表面由

3、于压电效应而产生的电荷面密度。其压电方程为：由此可见，dij是矩阵[dij]上的元素。右旋石英晶体取负号；左旋石英晶体取正号。压电常数矩阵压电方程的矩阵表示2.压电陶瓷的压电方程及压电常数矩阵实验表明，钛酸钡压电陶瓷的压电方程及压电常数矩阵为：(沿Z轴极化)在Z轴方向上存在d31、d32、d33(x、y、z三个方向的压电效应)，当x、y、z三个方向的应力相等均为F时(如在液体中)：压电方程的矩阵形式d3称为体积压缩压电常数。三、压电效应的物理机制与表面电荷计算1.物理机制⑴石英晶体：如图示，晶体内部正负离子的偶极矩在外力的作用下由

4、于晶体的形变而被破坏，导致使晶体的电中性被破坏，从而使其在一些特定的方向上的图5-3晶片上电荷极性与受力方向的关系(a)(b)(c)(d)晶体表面出现剩余电电荷而产生的。由于压电常数矩阵中只有d11、d12、d14、d25、d26不为零，并且d14、d25、d26需要切向应力作用往往不便利用，所以通常只利用d11、d12=-d11两个相关的应力方向和这两个压电常数。不受力图5-2石英晶体压电模型⑵压电陶瓷：压电陶瓷的压电效应机理与石英晶体大不相同，未经极化处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强度会

5、使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力，压电陶瓷片将会产生形变，片内束缚电荷层的间距变小，一端的束缚电荷对另一端异号的束缚电荷影像增强，而使表面的自由电荷过剩出现放电现象。当所受到的外力是拉力时，将会出现充电现象。图5-5束缚电荷和自由电荷排列示意图自由电荷自由电荷电极束缚电荷2.表面电荷计算由σij=dijPj，两边同乘以产生电荷表面的面积S，得Qij=Sσij=SdijP

6、j，当i=j时，Qi=diiFj(作用力垂直于产生电荷的表面时)，如对于石英晶体F（F=SP）平行于x轴为Fx时，Qx=d11Fx；如对于钛酸钡，F平行于Z轴为FZ时,QZ=d33FZ。若i≠j，如石英晶体若i=1，j=2,F平行于y轴为Fy时,在与x轴垂直的表面上产生的电荷,[Qx]y=d12SxPy，⑶两种压电材料的特点石英晶体：居里点温度高（高达573℃），稳定性好，无热释电现象。但压电常数小，成本高。压电陶瓷：压电常数大，成本低。但居里点温度低，稳定性不如石英晶体，有热释电现象，会给传感器带来热干扰。利用热释电现象特性可以

7、制作热电传感器，如红外探测。与x轴垂直的表面的面积1→x；2→y3.常用压电材料⑴压电晶体（单晶体）：石英；铌酸锂等。⑵压电陶瓷：钛酸钡；锆钛酸铅系列（PZ系列）等。⑶压电半导体和高分子压电材料（含压电薄膜）等。图5-7等效电路(a)(b)导电层2.2.2压电传感器的等效电路和测量电路一、等效电路压电传感器的基片结构如图5-7(a)，几何形状有圆片、方片、圆柱、圆筒等形状，在基片的两个相互绝缘(产生电荷)的表面镀有导电金属膜(如银膜)并焊接一对电极而成。由于压电传感器的基片一般具有较大的介电常数，电极间的距离也不大，所以压电传感器

8、可以等效为一只电容器。根据高频电子线路的知识我们知道，石英晶体的交流等效回路是LCR电路，存在两个谐振频率：串联谐振频率ωS和并联谐振频率ωP。当ω<ωS时阻抗特性为容性；ωS<ω<ωP时阻抗特性为感性，ωS～ωP(工作区间)很窄。常用的压电材料的